壓風機自動控制系統研究

張 磊

（汾西礦業靈北煤礦， 山西 晉中 031302）

引言

在礦井煤炭生產過程中，風鉆、風鎬以及掘進機等多種設備動力均來源于井下壓風，壓風系統是確保煤礦井下正常生產的基礎系統之一[1-2]。現階段礦井地面壓風機多采用人工控制方式，即壓風設備運行、狀態監測以及參數設定等均依靠作業人員現場控制，此種壓風機控制方式存在效率不高、用工量大以及控制方式落后等問題，不僅難以保證井下壓風管路供氣質量，而且影響壓風機使用壽命[3-5]。隨著礦井綜合自動化以及智能化建設的不斷推進，PLC 控制技術在煤礦井下刮板輸送機、皮帶輸送機、局部通風機等設備上的應用較為普遍，若將PLC 控制技術應用到地面壓風機控制中，即可實現壓風機自動化控制[6-7]。為此，本文以山西某礦地面布置的4 臺壓風機為研究對象，提出采用自動化控制系統控制壓風機，依據井下風量使用需求對壓風機運行進行控制，并實現壓風機運行參數遠程監測、遠程集中控制、故障預警以及運行時間控制等，以期大幅提升礦井壓風機自動化水平。

1 山西某礦井下空壓機概況

山西某礦井下壓風通過地面布置的4 臺螺桿壓風機實現，布置的壓風機采用微型計算機控制，并可實時顯示壓風機運行參數，具體包括有溫度、壓力、運轉狀態、工作時間等，并可實現故障自動診斷、故障記錄存儲以及預警等功能。地面布置的4 臺空壓機均處于相互獨立運行狀態，各空壓機獨立監測各種系統壓力，相互之間無信息通信。采用此種控制方式時，會導致各空壓機機組運行不均衡，不利于空壓機調配工作時間、進行后期維護以及管理等。為提高空壓機工作效率，提高空壓機自動化控制水平，依據空壓機壓力監測結果靈活調整狀態，根據礦井地面空壓機實際情況，提出采用自動化系統控制空壓機運行。

2 空壓機自動化系統結構及功能

2.1 空壓機自動化系統結構組成

在地面空壓機房布置的自動化控制系統結構包括有監控PC、監測控制柜、流量傳感器、電量參數模塊、壓力變送器等，監控上位機控制系統依據動態網編制。

自動化控制系統核心為S7-200PLC，可實現對空壓機的運行監測與控制。自動控制系統中電量參數模塊、PLC 擴展模塊、模擬量監測模塊（EM231）、通信模塊（CP243-1）、傳感器等均采用監控柜內24 V 電壓供電；PLC 與地面4 臺空壓機間通過屏蔽電纜實現通信。自動化控制系統功能包括有空壓機運行參數監測、故障信息監測等，并通過通信系統將信息傳輸給控制系統上位機。具體空壓機自動化控制系統結構組成如圖1 所示。

圖1 空壓機自動化控制系統結構示意圖

2.2 空壓機自動化控制系統功能實現

采用自動化控制系統可實現空壓機、相關管線控制閥門間連鎖控制，同時可實現空壓機遠程啟動、停止以及就地控制。自動化控制系統具備有手動、遠程自動控制兩種相互獨立控制模式。手動控制時各臺空壓機均獨立運行，適宜于空壓機設備檢修或者故障隱患排查時使用；遠程自動控制時地面的4 臺空壓機可實現聯機運行，可依據井下壓縮空氣消耗量、管網壓力變化情況控制空壓機運行。當井下用風量增加、個別空壓機出現故障以及壓風管網壓力下降時，可自動開啟備用空壓機；當用氣量減少時則自動減少地面空壓機運行數量，不僅可滿足井下壓風使用需要，而且可降低空壓機整體能耗。具體空壓機自動化控制系統功能實現流程如圖2 所示。

圖2 空壓機自動化控制系統功能實現流程

為平衡各臺空壓機運行時間，并增強空壓機使用壽命，自動控制系統對空壓機控制時按照“先開先停、先停先開”原則，盡量保持各空壓機使用時間相近。采用通信系統以及相關監測傳感器對空壓機運行參數進行監測，具體運行參數包括有管內壓力、排氣溫度、排氣壓力、管內流量、空壓機電流及電壓等，監測參數會實時傳輸給監控上位機，并提供報警信息查詢、歷史數據查詢以及監測報表打印等服務。

在人機交互界面或者監控上位機可實時顯示空壓機故障、壓力、溫度、電流及電壓等監測曲線，并可通過監測曲線變化對空壓機運行狀況進行分析。當監測到管網壓力降低至預警值以內且無法及時升壓，空壓機運行出現故障時，自動化控制系統即會發出故障報警，具體空壓機故障曲線如圖3 所示。

圖3 空壓機故障監測曲線

2.3 空壓機自動化控制系統通信方式

觸摸屏、PLC 等均布置在空壓機監控柜內，由于通信距離短，為此選用的通信方式為MPI，PLC 與各空壓機間采用MODEBUS 方式、與監控中心間采用以太網通信方式。

3 自動化控制平臺

具體控制系統自動化控制平臺界面如圖4 所示，控制平臺通過King SCADA 軟件實現控制指令以及監測參數傳輸。在控制平臺內設計有賬戶管理、視頻監控、數據查詢、運行控制等多種操作界面，可實現空壓機運行自動化監測以及控制。在空壓機監控柜內的PLC 控制系統將監測獲取到的各參數通過MODEBUS 方式傳輸給上位機，上位機首先會關聯各數據變量，然后對監測數據進行顯示。

圖4 自動化控制平臺操作界面示意圖

通過采用自動化控制平臺，操作人員在監控中心可實時掌握壓風機運行情況，并遠程控制空壓機運行。

4 結語

為提高礦井地面空壓機運行效率并實現對空壓機遠程控制，文中結合山西某礦實際情況基于PLC構建一種空壓機自動化控制系統，該控制系統可實現空壓機運行參數監測、遠程集中控制、故障預警等。在該礦進行現場應用后，該自動化控制系統運行可靠，可大幅提升空壓機運行自動化控制水平。通過在礦井采用空壓機自動化控制系統，可在一定程度上降低空壓機故障發生率以及后續故障處理時間，為自動化、智能化礦井構建奠定一定基礎。